北斗导航卫星系统的快速全球组网和现代化发展,极大地存进了其在经济社会各个领域的不断应用,进一步地对北斗导航接收机的信号处理能力提出了更高的要求。北斗接收机搭载国产民航客机试飞又催生出北斗导航在民航飞机终端进近等生命安全领域的应用需求,这意味着卫星导航的完好性要满足更加苛刻的性能要求。本文以提高北斗导航接收机服务性能为主要研究目标,针对接收机信号捕获和接收机自主完好性监测两大关键技术开展研究,相应的研究成果对于提高北斗及多星座导航接收机的服务性能及拓展北斗导航在更多领域的应用具有较好的参考价值。卫星信号的捕获是接收机基带信号处理的第一步,二次编码技术的应用使得卫星信号的捕获变得更加复杂,论文对调制NH码的北斗信号快速捕获方法开展了研究。论文首先对北斗NH码的应用及其对信号捕获的影响进行了分析,从NH码的固定序列出发提出了一种基于特殊输入序列的NH码规避技术,可以很好的规避NH码跳变对北斗导航接收机卫星捕获的影响;然后提出了基于Pre-NH组合码的NH码剥离方法,在完成子帧同步的同时实现对跟踪结果的NH码剥离;最后在北斗软件接收机平台上采集北斗B1I实际信号对上述NH码的处理策略进行了验证。同时NH码规避技术对北斗GEO卫星的捕获,GPS和GLONASS调制NH码的现代化信号捕获具有良好的通用性。卫星信号衰减是导航接收机经常会面临的工作环境,在无辅助条件下实现对北斗弱信号的正确捕获是提高接收机自主性能的关键技术,承接上述研究内容,论文进一步对北斗的弱信号捕获开展了研究。论文分析了NH码对北斗弱信号捕获的影响,提出了一种基于改进双块补零的无辅助式弱信号捕获技术,简化了相干积分实现过程中NH码的搜索策略;同时从块内相关和相干积分两个层面对双块补零方法的信号处理流程进行了优化,上述方法均大大降低了北斗弱信号捕获的计算复杂度和运算量;最后在软件接收机平台上利用模拟器输出的弱信号进行了捕获实验,验证了基于双块补零的北斗弱信号捕获技术的捕获灵敏度和运行时间上的优越性。以民航进近为代表的生命安全领域的应用对卫星导航接收机定位结果的完好性提出了更高的要求,同时也是拓展卫星导航应用领域的重大契机。高级接收机自主完好性监测(ARAIM)正是为满足上述应用需求而提出的一种基于接收机信号的完好性监测技术,ARAIM需要满足苛刻的可用性指标才能正常工作,同时又要具备一定的鲁棒性,在出现单星中断等情况下仍然保持全球范围内足够的可用性才具备实际应用价值。当前针对单星中断对ARAIM的影响实质及不同星座对单星中断的承受能力的研究尚不成熟。论文对基于北斗/GPS的ARAIM性能优化技术开展了研究。提出了一种基于星座加权的位置估计优化方法,实质是采用补偿机理对位置估计在不同性能的星座间进行平衡,显著改善了ARAIM的可用性。本研究的重要意义还在于明确了单星中断导致的多星座几何构型的差异是导致ARAIM可用性损失的主要原因;相比于更多的在轨卫星,星座的平衡性对ARAIM更加重要。通过完好性监测信息(ISM)确定需要监测的故障模式,是ARAIM区别于传统RAIM的一大特点。在完成ARAIM可用性优化的基础上,论文进一步对ARAIM的故障模式确定方法开展了研究。论文首先讨论了基准算法在未监测风险冗余度、故障模式数量以及连续性风险方面的可提升空间;其次提出一种基于概率累加反馈结构(FSPA)的故障模式确定方法,以完好性风险阈值为核心判据,对故障模式由大到小进行累加,在遍历过程中完好性阈值的判断、可观测性的判断、连续性的判断均构成反馈环路,针对判断的结果及时反馈到整个流程中;最后全球范围内的仿真实验验证了FSPA方法在ARAIM可用性和故障模式数量方面的优越性。本研究的重要结论还包括监测的故障模式并不是越多越好,监测的故障模式越多,会导致保护水平和EMT增大,容易导致ARAIM的可用性损失。ARAIM的最终目标是实现民航终端进近中的实际应用,开展性能验证是通往应用的必经之路,论文针对北斗二号/GPS双星座的ARAIM性能进行了测试和验证。论文首先提出了一种简化的适用于Offline ISM参数更新和地面监测的卫星空间信号误差统计方法,采用卫星的广播星历和精密星历,对卫星的空间信号误差矢量在地球上的最大投影进行统计,分析了北斗不同类型卫星和GPS不同批次卫星的性能差异,对Offline ISM的参数监测和更新具有指导意义;其次选取亚太地区的观测站数据对基于北斗二号和GPS双星座的ARAIM接收机算法和本文提出的改进算法进行了验证;最后搭建多旋翼无人机ARAIM验证平台进行了飞行测试,利用动态数据进一步测试了ARAIM改进算法的有效性。北斗导航卫星系统还处于蓬勃发展的关键阶段,只有全面提高北斗接收机的服务性能,才能让北斗导航系统更好地服务各行各业,助力经济社会和人类文明的不断发展。